Experimental study and mechanism analysis on cell electroporation due to low-intensity transient electromagnetic pulses

The phenomenon of cell electroporation due to low-intensity transient electromagnetic pulses was studied by using a broad band transverse EM-wave cell (BTEM CELL). The experimental results and preliminary mechanism analysis are presented.

基于单锥横电磁波室的瞬态强电磁脉冲电场测量探头校准技术研究

探头校准技术是实现瞬态强电磁脉冲电场准确测量的基础,与传统以点频连续波为基础的时谐电场测量校准技术相比,瞬态强电磁脉冲电场探头校准技术的显著特点是要求时域脉冲标准电场具备极快响应时间和极宽工作带宽,这给当前脉冲电场探头校准技术研究带来较大挑战。本文介绍了基于单锥横电磁波(transverse electromagnetic,TEM)室的瞬态强电磁脉冲电场探头校准技术研究概况,重点讨论了本单位近年来自主研制的母线长为1.5 m的单锥TEM室,母线长为1.5 m的电阻阵列加载单锥TEM室和母线长为0.9 m的电阻阵列加载无反射单锥TEM室的主要指标,及上述校准装置在瞬态强电磁脉冲测量系统参数校准中应用情况,并简要总结了未来瞬态强电磁脉冲电场测量校准技术发展方向。

低强度瞬态电磁脉冲对细胞膜的电穿孔效应及机理研究

采用低强度的瞬态电磁脉冲在超宽频带横电磁波传输室（ＢＴＥＭ Ｃｅｌｌ）中对生物样品进行辐射，结果表明，在弱电场的情况下，细胞膜也会发生电穿孔，初步分析了形成电穿孔的机理。

脉冲电场诱导细胞内外膜电穿孔模型与跨膜电位的仿真

基于经典的球形单细胞3层介电模型,同时考虑细胞核对跨膜电位的影响,提出了更为合理和接近实际的球形单细胞的多层介电模型,给出了稳恒电场和任意时变脉冲电场作用下细胞膜和核膜跨膜电位的计算方法。仿真结果表明:当脉宽减小时核膜跨膜电位增加,而脉宽增大时细胞膜跨膜电位增强;当脉宽在100-500ns范围时能有效实现肿瘤细胞膜和核膜电穿孔,同时不影响正常细胞。计算结果与实验吻合得很好,为肿瘤的电化学疗法和基因疗法的临床应用提供了理论指导。

不可逆电穿孔对兔组织阻抗的影响

为了研究不可逆电穿孔对生物组织阻抗的影响,探究了阻抗变化与不可逆电穿孔机理之间的关系。以新西兰大白兔的多种组织作为对象,对其施加μs级高强度脉冲电场,测量、计算了组织阻抗值的变化。实验采用脉冲参数为:幅值2 250 V,脉冲脉宽70μs,重复频率2 Hz,脉冲总数90个。实验结果表明:生物各组织发生不可逆电穿孔时,其阻抗均减小;随着脉冲作用时间增加,阻抗趋于稳定,但在41个、61个脉冲作用后分别停止5min后阻抗明显恢复,说明可逆电穿孔比例仍较大;随着脉冲电场强度和作用时间的继续增大,不可逆电穿孔数量和程度迅速增大,直至组织阻抗达到最小值;停止施加脉冲电场后,组织阻抗增大,即部分电穿孔自恢复。

脉冲电磁场对细胞模型特异性作用机理研究

采用简化的细胞电学模型分析脉冲电磁场对细胞膜跨膜电位的影响，证明在低强度电磁脉冲对细胞的作用，跨膜电位的直接影响不是主要的，而细胞膜上的“微孔”，在电磁脉冲的刺激下逐步扩大，形成让离子通过的穿膜通道才是主要的作用过程，并应用电穿孔效应解释瞬态电磁脉冲对细胞的作用。

低强度瞬态电磁场作用下电穿孔机理探讨

通过计算离子在细胞膜外与在细胞膜内的吉布斯自由能,并考虑外加电场的影响,分析离子进入细胞膜的自发性,对低强度瞬态电磁场作用下细胞膜的电穿孔机理作出初步探讨.

瞬态电磁脉冲对细胞增殖的影响

实验采用有丝分裂指数测定法及3H TdR掺入法 ,研究瞬态电磁脉冲对人外周血淋巴细胞及艾氏腹水癌细胞增殖的影响 .结果发现 ,没有植物凝集素PHA时 ,10 0kHz和 2 0 0kHz瞬态电磁脉冲对淋巴细胞有丝分裂指数和3H TdR掺入量无显著影响 ;有PHA时 ,10 0kHz瞬态电磁脉冲促进淋巴细胞摄取3H TdR ,细胞有丝分裂指数增加 ,2 0 0kHz瞬态电磁脉冲抑制淋巴细胞摄取3H TdR ,细胞有丝分裂指数下降 .这两种频率的瞬态电磁脉冲都能明显地促进艾氏腹水癌细胞对3H TdR的摄取 .结果表明 ,瞬态电磁脉冲对细胞增殖是否产生影响 ,依赖于照射时细胞是否处于增殖活化状态 ;这种影响存在频率“窗效应” ,其影响很可能是对胞内增殖信号传递的作用 .

高频双极性脉冲诱导SKOV–3细胞生物电效应的实验研究

不可逆电穿孔技术以其非热、微创的独特优势而广泛应用于肿瘤治疗领域,但在治疗过程中会出现消融不彻底与肌肉收缩这2个问题;高频双极性脉冲作为新式脉冲形式可在肿瘤组织中产生均匀电场来解决肌肉收缩难题,同时与传统脉冲相比能有效缓解肌肉收缩。为此,以SKOV–3细胞为研究对象,采用CCK–8检测细胞活性,采用JC–1荧光探针分子观察线粒体膜电位变化,采用免疫组化技术检测凋亡蛋白表达。研究发现：传统单极性脉冲对肿瘤细胞的杀伤机理主要是对细胞膜的不可逆破坏,继而导致细胞坏死;ns高频双极性脉冲虽然与传统脉冲具有相同的电场强度与高电平时间,但却不能有效杀死肿瘤细胞;而μs高频双极性脉冲不仅能有效诱导细胞坏死,而且通过活性检测发现也可能诱导细胞凋亡;进一步研究发现,μs高频双极性脉冲能作用于线粒体使线粒体膜电位崩溃;同时也检测出BAX、BCL–2、Caspase–3和Caspase–9凋亡蛋白的表达。该研究结果表明μs高频双极性脉冲不仅可诱导细胞坏死,而且可启动线粒体凋亡程序来杀死细胞。

低强度瞬态电磁脉冲引发细胞电穿孔的实验初探

采用宽频带横电磁传输室,通过实验观察到低强度瞬态电磁脉冲作用下产生的细胞电穿孔现象,并提出了初步分析及其应用前景。

鸡红细胞在弱的瞬态电磁脉冲作用下的电穿孔研究

采用弱的瞬态电磁脉冲 ,在超宽频带横电磁波传输室中对鸡红细胞进行照射 ,通过扫描电镜观察 ,发现在低强度电场 (约 2 0 V/ cm)的作用下 ,鸡红细胞出现了电穿孔 ,且孔的直径在 10 0～ 70 0 nm。初步分析了形成电穿孔的机理。

电磁脉冲辐照所致海马神经细胞膜穿孔的原子力显微镜研究

目的:应用原子力显微镜(atomicforcemicroscopy熏AFM)对电磁脉冲辐照前后培养的海马神经元细胞膜进行观察,以探讨电磁脉冲对细胞损伤的机制。材料和方法:将新生的Wistar(24小时内)乳鼠解剖镜下分离出海马组织,将海马神经细胞稀释成1×106个/ml浓度的细胞悬液;将细胞悬液种植到六孔板中,2ml/孔。培养14天后,高场强EMP模拟源穴有界波模拟源雪,场强为6×104V/m,脉冲上升时间为20ns,脉宽为30μs熏频率包含0～100MHz。以2.5次/min熏辐照2分钟。并于辐照后即刻固定细胞,应用日本岛津穴SHIMADZU雪公司的SPM-9500J3型原子力显微镜对细胞表面进行接触式连续扫描。结果:电磁脉冲辐照后即刻就可引起大鼠海马神经元细胞膜表面大小不一、类圆形和不规则形的穿孔,穿孔最大口径和深度可达281.56nm×89.90nm×17.76nm。结论:电磁脉冲辐照后可直接导致海马神经元细胞膜的穿孔,提示细胞膜可能是电磁脉冲生物效应的靶部位之一。

强脉冲电场致细胞膜电穿孔的实验研究

采用肝癌细胞HePG2作为靶细胞,罗丹明偶联葡聚糖为荧光探针,荧光分光光度计作为检测设备,试验研究细胞膜电穿孔与电脉冲参数之间的关系.试验中发现随着电场强度或脉冲宽度的增加,样品荧光强度增加,细胞膜穿孔率相应增强;

瞬态电磁脉冲加速肿瘤消亡的实验研究

当一定强度的瞬态电磁脉冲作用于细胞时 ,在细胞膜上将形成瞬时微孔 ,可促进药物等大分子进入细胞内。本研究利用电穿孔现象结合抗癌药物治疗在昆明小鼠上接种和生长的 S- 180肉瘤 ,发现这种方法可以明显地抑制肿瘤细胞的生长。这种癌症治疗技术具有操作简单、容易控制、毒副作用小等优点 ,特别适用于浅表肿瘤的治疗。

电脉冲结合抗癌药物加速肿瘤消亡的研究

当一定强度的瞬态电磁脉冲作用于细胞体时 ,在细胞膜上将形成瞬时微孔 ,促进药物等大分子进入细胞液。利用电穿孔现象结合抗癌药物治疗在昆明小鼠上接种和生长的S 180肉瘤 ,通过实验研究 ,该方法可以明显地抑制肿瘤细胞的生长。这种癌症治疗技术具有简单 ,便于操作等优点 ,特别适用浅表肿瘤的治疗 。

电磁场在生物医学中的应用

１引言近百年来，人们对随时间作简谐变化的电磁场即连续波电磁场对生物体的各种影响进行了较充分的研究，其在生物医学中的应用也取得了重大进展，形成了一门较为完整的生物电磁学分支，它经历了从热效应到非热效应，从动物活体到细胞及生物大分子，从生物效应到临床应用...

微秒级脉冲电场下剩余污泥中微生物细胞的破解特性

为破解城市剩余污泥中的微生物细胞膜,提高污泥的厌氧消化效能。采用μs级脉冲电场对污泥试样进行处理,通过光学显微镜观察微生物细胞经脉冲电场处理后的性状变化,基于分光度法测量污泥试样的溶解性化学需氧量,分析脉冲电场参数和环境温度等因素对微生物细胞内有机成分释放程度的影响。结果表明:当脉冲电场幅值从0.588 MV/m增大至1.470 MV/m时,微生物细胞内有机成分渗出指数K提高约40倍;当温度从20℃升高至60℃时,K提高约60倍;而当脉冲电场重复频率从1 Hz增大至100 Hz时,K降低38.5%。其主要原因为,脉冲电场作用下微生物细胞膜的电穿孔现象引发了细胞内有机成分的释放,脉冲电场参数和环境温度的改变导致细胞膜电穿孔的微观物理过程发生变化,从而影响了有机成分的渗出程度。

太赫兹单极性皮秒脉冲串作用下细胞膜亲水孔输运生命离子流的研究

近年来研究发现太赫兹单极性皮秒脉冲串作用能够在细胞膜上生成亲水孔,然而,细胞膜亲水孔对生命离子跨膜输运的作用尚不清楚。本文在前期提出的细胞层面生理离子与太赫兹电磁辐照相互作用理论的基础上,利用Neu与Krass-owska电穿孔模型和广义修正的Poisson-Nernst-Planck模型,在整个细胞层面对太赫兹单极性皮秒脉冲串持续作用下细胞膜亲水孔跨膜输运的总离子流和跨膜输运钠、钾、氯三种细胞生理电信号变化相关的生命离子形成的离子流进行数值仿真研究,在离子流的数值研究中考虑了每种生命离子在溶液中的有效尺寸大小。数值结果揭示出,在太赫兹单极性皮秒脉冲串持续作用期间,细胞膜上生成的亲水孔输运的离子流主要由钠、钾和氯三种生命离子的离子流组成,同时,在亲水孔输运的每一种离子流中,细胞膜两侧电场引起的离子流分量远大于浓度差引起的离子流分量,但是对细胞内离子浓度变化的影响,膜两侧浓度差引起的离子流分量作用则大于电场引起的离子流分量作用。数值结果还显示,太赫兹单极性皮秒脉冲串持续作用10ns期间,细胞膜亲水孔输运的离子流没有引起细胞内这三种生命离子的浓度大幅度改变,说明细胞膜亲水孔没有引起钠、钾和氯三种生命离子生理浓度的失衡。整个作用期间细胞保持有良好的电生理状态和生理浓度的稳定性,亲水孔也没有产生细胞生理电信号变化。研究结果为太赫兹作用下细胞膜生物效应的应用奠定了基础。

电磁脉冲辐照所致下丘脑神经细胞膜穿孔的原子力显微镜研究

目的 :应用原子力显微镜检查术 (atomicforcemicroscopy,AFM)对电磁脉冲辐照前后培养的下丘脑神经细胞膜进行观察 ,以探讨电磁脉冲对其细胞膜影响的直接证据。方法 :对新生的Wistar乳大鼠下丘脑神经细胞在 6孔板中进行原代培养 ,在培养 14d时 ,用高场强电磁脉冲模拟源 (场强为 6× 10 4 V m ,脉冲上升时间 2 0ns,脉宽 30 μs)以 2 .5次 min ,辐照 2min。辐照后即刻固定细胞 ,应用AFM对细胞表面进行接触式连续扫描。结果 :电磁脉冲辐照后即刻就可引起下丘脑神经细胞膜表面大小不一、深度不同、类圆形和不规则形的穿孔 ,穿孔最大直径为 2 73.2 1～330 .10nm ,深度达 13.5 7nm。结论 :电磁脉冲辐照后可直接导致下丘脑神经元细胞膜的穿孔 ,提示其可能是电磁脉冲生物效应的损伤机制之一。

电磁脉冲辐射致大鼠垂体细胞膜穿孔的原子力显微镜观察

目的应用原子力显微镜(AFM)对电磁脉冲(EMP)辐射前、后培养的垂体细胞膜进行观察,以探讨EMP对其细胞膜影响的直接证据. 方法对Wistar大鼠垂体细胞在6孔板中进行原代培养,在培养第4天时,用高场强EMP模拟源(场强为6×104 V/m,脉冲上升时间为20 ns,脉宽为30 ms),以2.5次/min,照射2 min.并于照射后即刻固定细胞,应用日本岛津(SHIMADZU)公司的SPM-9500J3型原子力显微镜对细胞表面进行接触式连续扫描. 结果 EMP辐射后即刻就可引垂体细胞膜表面大小不一、类圆形和不规则形的穿孔,穿孔最大口径和深度可达291 nm×372 nm×11.72 nm. 结论 EMP辐射后可直接导致垂体细胞膜的穿孔,提示垂体细胞膜可能是EMP生物效应的靶部位之一.